美军MST靶标目标特性仿真分析

王海涛，秦 刚

(中国人民解放军91550部队93分队,辽宁大连 116023)

水面靶标(靶船)[1]为反舰武器海上飞行试验提供模拟舰船目标。对于新型主动雷达和红外成像复合制导的反舰武器海上飞行试验,需要雷达散射/红外辐射复合模拟水面靶标进行保障,特别是使用体目标雷达散射/红外成像复合模拟靶,目前除了使用实体靶,海上试验还缺少此类模拟较为真实的水面靶标。在满足复合目标特性[2]模拟逼真度要求的前提下,在工程实现上采用何种模拟技术实现两者的复合模拟,以满足新型反舰武器复合导引头试验需求,是迫切需要解决的问题,在此方面,美海军的MST靶标提供了可供借鉴的技术实现方案。

1 雷达散射/红外成像复合模拟

1.1 水面目标雷达散射/红外成像复合模拟要求

在海上反舰武器试验中,为了降低试验损耗,降低海上作业难度,一般利用水面靶标模拟真实舰船,作为反舰武器攻击的目标。

对于水面舰艇,对其雷达散射/红外成像的复合模拟要求一般为:

•驱逐舰、护卫舰等典型水面目标;

•实现俯仰角-10°～20°,方位角0°～360°的典型舰艇雷达散射分布特性模拟;

•典型舰艇的主要辐射源面积和辐射温度分布等红外特性;

•要求模拟0°、正横±45°舷角范围内目标舰艇的主要辐射温度和辐射面积。

目前完成体目标雷达散射特性[3]的技术手段是采用多组不同尺寸大小、形状类型和朝向角度的角反射体,在靶标船体上70 m×15 m×15 m空间内的不同高度和位置上安装固定,完成预定不同典型目标舰艇的雷达散射分布特性模拟[4]。如需改变模拟的雷达散射面积[5]的大小与分布特性,则只要改变角反射体的种类和数量即可。这种多角反射体目标特性模拟技术手段造价低、灵活性大、可靠性好、日常维护方便,得到广泛的应用。

红外成像靶的工程实现途径是根据海面典型舰艇的船体几何形状,在沿船体艏艉线方向上搭建刚性结构平面,构成典型舰艇船体的形状。在刚性结构平面上布设多组电加热模块[6],模拟船体上机舱、烟囱等温度较高的部位,红外靶的红外加热辐射单元采用“反射加隔热”的加热技术,加热辐射单元为封闭的金属外壳,内部安装玻纤硅橡胶加热片、铝箔反射膜、隔热绝缘材料,组装后模拟军舰烟囱壁和动力机舱壁的温度。同时在载体上不同部位刷漆,完成温度较低部位的模拟,红外图像几何构成及对比温差的变化,如图1左图所示。

图1 红外成像靶结构图示与电磁散射特性仿真结果

如果简单地将上述雷达散射特性与红外成像模拟实现方式在一个船体上拼装组合,完成舰船目标特性复合模拟,则无法同时满足对典型目标雷达散射特性和红外成像特性的模拟逼真度。原因在于红外加热模块不仅将对角反射体构成遮挡,而且支撑电加热模块的整个刚性支撑结构也会对整个靶标的RCS有很大贡献,而使预先的角散射体组合构成的雷达散射模拟分布特性出现大的偏离。

1.2 雷达散射/红外成像复合模拟实现方式

目前雷达散射和红外成像复合模拟一般采取两种方式,第一种方式是使用报废的退役舰艇,这种方式由于船况较差,日常维护保养和海上试验实施困难,被命中毁伤后拖拽困难,沉没后打捞难度和经济花费极大;另外一种技术手段是在红外成像靶的基础上加装角反射组。

对图1左侧的红外成像靶进行电磁仿真计算[7],分析其电磁散射特性。坐标系Y轴为甲板平面艏艉线方向,由船艉指向船艏;X轴垂直于艏艉线(顺时针90°转向y轴)。俯仰角计算范围:-15°～15°,步长1°;方位角计算范围:-60°～60°,步长0.2°。计算频率为X频段,计算结果见图1右侧所示。可以看出由于红外成像靶上层建筑外形相当于一个大的平板,若从坐标系0°或180°(垂直于船艏艉方向)看过去,红外成像靶的RCS在40 dB以上;而若偏离垂直艏艉方向±5°以外,则RCS在30 dB以下。这种雷达散射分布特性与真实水面舰艇的特性差异很大,所以在红外成像靶中间加装一座角反射器组,进行RCS的修正。

在红外成像靶上加装角反器组后,RCS模拟角度范围方位角:-60°～60°,俯仰角:-15°～15°;红外成像靶加装后,在其要求模拟范围内的RCS均值≥σ0。从RCS均值标称值、覆盖范围要求等综合考虑,角反射器组安装于红外成像靶的中央侧方,安装示意图如图2所示。安装后对应的红外成像靶RCS电磁计算结果如图3所示。

比较图1和图3两者之间的区别可看出,加装角反射器组之前,当从X轴方向看过去,红外成像靶的红外模块组合本身相当于一块大的平板,而且与船甲板构成了一个大的二面角,在±5°以内RCS可达40 dB以上,而±5°以外在30 dB以下。加装角反射器组之后,在±5°以内RCS没有太大变化,而±5°以外分布比较均匀,差异在3 dB以内。

图2 基于红外成像靶的复合靶结构布局图

图3 基于红外成像靶的复合靶电磁散射特性(平滑前)

同时也可看出,基于红外成像靶实现的雷达散射/红外成像复合模拟方式,与真实舰船的目标特性相比,在雷达散射分布特性方面相当于一个点源雷达靶,能量集中于一点,与海上典型真实目标还有较大的偏离。

2 美军MST水面靶标

图4为美海军的一型机动集装箱MST(Mobile Ship Target)水面靶标,采用集装箱式组合结构,可以模拟不同的水面舰艇雷达散射/红外成像复合目标特性,这种方式在工程上简单易行,且造价低廉。通过改变甲板上集装箱的数量以及不同组合,可模拟不同雷达散射分布/红外辐射分布特性的水面舰艇。此型靶标长度80 m,最大航速15 kn,可人工驾驶或遥控航行。LRASM(Long Range AntiShip Missile)为美海军一种新型采用精确制导模式的防区外反舰导弹,作为新型“进攻性反水面作战项目”的备选武器之一,于2013年8月27日完成首次试射并命中目标,图4所示为导弹命中MST靶标后的图像。

图4 LRASM反舰导弹命中MST靶标

MST机动式集装箱式靶标在美军的海上靶场导弹试验中得到普遍应用。从图4中可看出,海上试验时MST通过遥控自主航行,船艏配备锚设备,在船艉处前方最后一个集装箱的上方,架设有一靶载测控设备支架,树立着数根鞭状天线,应为遥控天线。根据标准集装箱的尺寸比例,对MST靶标的船体比例和机械结构进行了推断,如图5所示。

图5 MST 机动式集装箱靶标组合一(左)与组合二

3 MST靶标雷达散射特性仿真分析

MST靶标的RCS仿真计算条件:

•集装箱表面材料:CORTEN 耐候钢[8];

•擦地角:0°～80°,步长1°;方位角:0°～360°,步长0.5°;

•极化方式:垂直(VV)与水平(HH);测试频率:15 GHz和17 GHz;

•集装箱组合方式:方式一、方式二;

•集装箱表面沟槽深度:36 mm、54 mm、18 mm。

3.1 组合一RCS特性仿真分析

图6为多集装箱组合模型一的三维视图。

图6 靶标组合模型一多集装箱三维视图

组合模型一沟槽深度36 mm下,15 GHz、HH极化RCS空间分布图如图7所示。

图7 组合一RCS空间分布图

组合模型一RCS特性仿真计算数据的统计平均值[9],详见表1。从结果可以看出,同样的状态下,在沟槽深度36 m情况下RCS数值较大,但是差值不超过2 dB[10]。

表1 组合模型一RCS特性仿真计算数据

组合模型一在沟槽深度36 mm、分别在15 GHz和17 GHz频率下、两种极化方式下,顶部加装一0.5 m角反射体组, RCS仿真计算的统计平均值见表2。与原状态相比,普遍偏大0.9 dB～1.7 dB，如图8所示。

图8 多集装箱组合模型一加装角反射组三维视图

表2 模型一沟槽深度36 mm加装角反射体组RCS特性数据

3.2 MST靶标组合二目标特性仿真分析

图9为多集装箱组合模型二的三维建模视图,图10为组合模型二,沟槽深度36 mm、15 GHz、HH极化的RCS空间分布仿真计算结果。

组合模型二RCS仿真计算数据的统计平均值见表3,计算结果与组合模型一的计算结果类似。

图9 多集装箱组合模型二的三维视图

图10 组合模型二RCS空间分布图

3.3 MST MST雷达散射特性仿真结果分析

针对MST水面靶标,根据以上对两种集装箱不同组合方式的雷达散射仿真计算结果,可得出以下结论:

1)由于从船的侧舷看过去,集装箱只构成平板,没有构成典型的角形结构,导致集装箱式靶标整体RCS偏小,其RCS的线性均值在25 dB～30 dB之间;

2)通过改变集装箱表面的沟槽深度,可以改变RCS的线性均值;

3)通过局部加装RCS增强装置,例如角反射体,可以调整靶标的RCS量值与分布特性。

表3 组合模型二、沟槽深度36 mm RCS特性数据

实际上水面靶标在海上使用环境中,由于船体上还安装有锚设备、系留装置、帆缆索具、舷梯、靶载设备与天线等设施,以及船体与海面的二次散射效应,实际的RCS量值应该比上述仿真计算值要大。采用此方式进行舰船雷达散射特性模拟,在RCS量值上和分布特性方面可控,工程实现方便,造价低廉,且损坏后修复便捷,不失为一种较佳的复合目标特性模拟工程实现途径。

另外,红外辐射特性的模拟,可以借鉴国内已有红外成像靶的成功经验,通过对某些集装箱侧板进行控制加热。而实际上通过资料分析,美军的MST水面靶标,未对集装箱内部进行特别的技术处理,直接利用靶标船体、集装箱与海水自然形成的温差为反舰武器导引头提供目标指示。

4 结束语

综上所述,通过多集装箱组合完成水面舰艇雷达散射/红外成像特性的复合模拟,在技术上是一条可行的途径。而且通过集装箱的特定组合造型设计,辅以局部的雷达散射特性增强装置,可完成不同舰艇的复合目标特性模拟。对于今后新型雷达散射/红外成像复合模拟的水面靶标的研制建造,具有借鉴和指导作用。